научная статья по теме ДИНАМИКА ПОТОКОВ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 30–80 КЭВ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ 21–22.I.2005 И 14–15.XII.2006 ПО ДАННЫМ НИЗКОВЫСОТНЫХ СПУТНИКОВ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА ПОТОКОВ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 30–80 КЭВ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ 21–22.I.2005 И 14–15.XII.2006 ПО ДАННЫМ НИЗКОВЫСОТНЫХ СПУТНИКОВ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 6, с. 449-458

УДК 550.383

ДИНАМИКА ПОТОКОВ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 30-80 кэВ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ 21-22.I.2005 И 14-15.XII.2006 ПО ДАННЫМ

НИЗКОВЫСОТНЫХ СПУТНИКОВ © 2014 г. Н. А. Власова, В. В. Калегаев

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова

nav19iv@gmail.com Поступила в редакцию 23.01.2013 г.

Представлены результаты сравнительного анализа динамики потоков трех популяций частиц с энергией 30—80 кэВ по данным измерений солнечно-синхронных спутников NOAA (POES 15, 16, 17) на низких широтах (L < 2), а также на широтах ниже и выше границы изотропных высыпаний во время геомагнитных бурь 21—22.I.2005 и 14— 15.XII.2006. На основе комплексного анализа экспериментальных данных по потокам частиц на низких орбитах и измерений параметров солнечного ветра, выполненных на КА АСЕ, проведено изучение динамических особенностей потоков частиц и их долготных распределений в зависимости от условий в межпланетной среде. Показано, что увеличение потоков захваченных частиц и развитие главной фазы магнитной бури 21—22.I.2005 связано с откликом магнитосферы на продолжительное воздействие экстремально мощного коронального выброса массы при северной ориентации ММП. 14.XII.2006 недостаточная амплитуда и продолжительность импульса давления не привели к развитию возмущения, аналогичного 21—22.I.2005. Развитие главной фазы этой магнитной бури связано с поворотом ММП к югу, который произошел только через 7 часов после SSC.

DOI: 10.7868/S0023420614060089

ВВЕДЕНИЕ

Данные измерений потоков частиц на низковысотных полярных спутниках могут дать информацию о пространственной и временной динамике потоков частиц в магнитосферных образованиях, таких как плазменный слой хвоста магнитосферы, кольцевой ток (КТ) и радиационные пояса Земли [1]. Динамика временных и пространственных распределений потоков частиц является результатом изменений в магнитных и электрических полях и может быть использована для описания электродинамических процессов в околоземном космическом пространстве [2, 3].

Наиболее значительные вариации потоков частиц происходят в магнитосфере Земли во время геомагнитных бурь, развитие которых непосредственным образом связано с условиями на Солнце и с состоянием межпланетной среды [4]. В условиях южной ориентации межпланетного магнитного поля (ММП), электрическое поле "утро—вечер" магнитосферного хвоста ускоряет движущиеся к Земле частицы плазмы. Усиление магнитосферной конвекции и локальные ускорения частиц, связанные с суббуревой активностью, являются основными процессами, ответственными за поступление частиц из центрального плазменного слоя магнитосферного хвоста во внутреннюю магнитосферу, в область захвата частиц, и последующее формирование КТ [3, 5].

Потоки частиц, измеряемые на космических аппаратах, отражают структуру магнитного поля в магнитосфере и могут служить для диагностики магнитосферных токовых систем. На разных участках орбиты низковысотного спутника можно выделить область изотропных высыпаний, область резкого понижения потоков высыпающихся частиц ниже границы изотропизации (ГИ) и приэкваториальную область захваченных частиц с большими питч-углами. Эти участки орбиты связаны магнитными силовыми линиями с областями в околоземном пространстве, обладающими разными физическими свойствами. Изменения в магнитосфере, связанные, как с внешним воздействием, так и с ее внутренней динамикой, приводят к вариациям потоков частиц разных популяций и к изменениям их границ.

Полная энергия высыпающихся протонов в вечернем/ночном секторе по данным ИСЗ POES 15 использовалась для оценки скорости инжекции энергии в КТ [1]. Было обосновано предположение, что величина потоков высыпающихся протонов, регистрируемых приборами спутника, является индикатором, позволяющим оценить амплитуду инжекции. Было показано, что при определении функции инжекции через потоки высыпающихся протонов уравнение Бартона позволяет описать 70—80% вариации скорректированного Дгиндекса. Это подтверждает идею

авторов работы, что высыпающиеся на высоких широтах частицы характеризуют не столько потери кольцевого тока, сколько интенсивность ин-жекции. Динамика КТ во время различных фаз геомагнитной бури исследовалась в [6] по вариациям низкоширотных потоков протонов буревого экваториального пояса (storm time equatorial belt — STEB) по данным измерений ИСЗ POES 15, 16. Это явление обусловлено взаимодействием движущихся к Земле энергичных нейтральных атомов (ЭНА), рождающихся при перезарядке частиц КТ на нейтралах экзосферы, с ионосферными частицами. Показано, что долготное распределение частиц в этой области симметрично на фазе восстановления бури. Глобальная картина высыпаний протонов с энергией 30—240 кэВ во время магнитной бури была получена на основе данных ИСЗ POES 15, 16 [7]. В этом исследовании уделено внимание полной энергии высыпающихся частиц и положению максимума протонного высыпания. На основе измерений, выполненных инструментами MEPED, показано, что с ростом геомагнитной активности происходит смещение области высыпаний протонов с энергиями 30—240 кэВ на более низкие широты, при этом пик высыпаний смещается к экватору и к западу, в соответствии с развитием буревого кольцевого тока.

Данные с низковысотных полярных спутников серии POES использовались для изучения положения и динамики границы изотропизации (ГИ), выше которой наблюдаются изотропные потоки частиц [8, 9]. Авторы [9] связывают область изотропных высыпаний с сильно искривленными силовыми линиями магнитного поля, что приводит к интенсивной питч-угловой диффузии частиц и их изотропному распределению. На основе статистического анализа данных одновременных измерений на двух низковысотных спутниках серии POES в работе [10] исследовалось широтно-долготное положение границы изотропизации в зависимости от состояния межпланетной среды и геомагнитной активности. В работе показано, что с усилением геомагнитной активности наблюдается движение ГИ к экватору; амплитуда движения дневной части ГИ, в основном, определяется динамикой давления солнечного ветра; движение в вечернем секторе связано с асимметрией "утро—вечер" магнитного поля внутренней магнитосферы.

Наземные и спутниковые измерения свидетельствуют о долготной асимметрии возмущенного магнитного поля во время главной фазы бури [11]. Асимметрия магнитосферного магнитного поля проявляет себя также и в долготном распределении потоков частиц, измеряемых на борту низковысотных спутников [12]. Исследования потоков протонов по данным ИСЗ Космос-900 во время геомагнитно-спокойных периодов по-

казали, что изотропные потоки в дневном и утреннем секторах наблюдаются в среднем на более высоких широтах, чем в ночном и вечернем [13].

Цель представленной работы — исследование состояния магнитосферы во время двух различных по мощности и порожденных необычными условиями в межпланетном пространстве геомагнитных бурь 21—22.I.2005 и 14-15.XII.2006 на основе проведения сравнительного анализа динамики и долготных распределений потоков частиц. Впервые будут исследованы распределения потоков сразу трех популяций частиц, регистрируемых на низких (L < 2), средних (ниже ГИ) и высоких (выше ГИ) широтах с энергиями из энергетического диапазона частиц КТ по данным одновременных измерений трех ИСЗ: POES 15, 16, 17. Особое внимание будет уделено динамике потоков заряженных частиц и возможному механизму формирования кольцевого тока во время бури 21—22.1.2005, главная фаза которой проходила в условиях северного ММП.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Работа основана на экспериментальных данных, полученных с трех низковысотных солнечно-синхронных ИСЗ: POES 15, 16, 17 [http://satdat. ngdc.noaa.gov/sem/poes/data/avg/txt/]. ИСЗ POES — полярные спутники с круговой орбитой на высоте ~800 км и периодом обращения ~100 мин. Орбита спутника такова, что в течение ограниченного времени ее восходящий и нисходящий участки постоянно находятся примерно на одних и тех же местных временах. Так в январе 2005 г., пересекая геомагнитный экватор, POES 15 располагался в области ~06 и ~18 MLT; POES 16— в области ~02 и ~14 MLT; POES 17— в области ~10 и ~22 MLT. Наличие в каждом полушарии "почти одновременных" (как правило, выполненных в течение получаса) измерений с трех ИСЗ для шести значений MLT дает возможность реконструировать долготные распределения потоков частиц.

На ИСЗ POES измерения потоков энергичных протонов производились аппаратурой MEPED [14]. Два взаимно перпендикулярно направленных детектора регистрируют частицы в радиальном направлении (по радиусу Земли — 0-детек-тор) и вдоль орбиты спутника (90-детектор). На высоких широтах 0-детектор измеряет высыпающиеся частицы, тогда как 90-детектор — захваченные (квазизахваченные), на экваторе - наоборот. Следует отметить, что в рамках модели геомагнитного поля IGRF11 0- и 90-детекторы регистрируют потоки частиц с одинаковыми питч-углами на магнитных широтах ~22°—36°, что соответствует величине L-параметра меньше 2.

Рассмотрим потоки протонов с энергией 30— 80 кэВ, полученные с 0- и 90-детекторов при про-

1.48 1.12 1.76 8.28 7.15 1.54 1.10 L

Рис. 1. Временные профили потоков протонов с энергией 30—80 кэВ (данные 0-детектора — сплошная кривая, 90-де-тектора — пунктирная). Вертикальные пунктирные линии — положения границ изотропизации и Ь = 2. Цифры 1, 2 и 3 обозначают области орбиты спутника, динамика потоков частиц в которых исследовалась (см. текст).

летах ИСЗ над северным полушарием Земли. Типичный временной профиль потоков протонов, измеренный на ИСЗ POES 15 во время главной фазы магнитной бури 22.1.2005, представлен на рис. 1. Потоки частиц измерялись 0- и 90-детек-торами. Потоки частиц, зарегистрированные 0- и 90-детекторами, практически одинаковы на высоких широтах; в области адиабатического движения частиц на более низких широтах потоки от 90-детектора превалируют. ГИ — место, где наблюдается выход из области относительного равенства потоков протонов, зарегистрированных 0- и 90-детекторами, т.е. из области с изотропным питч-угловым распределением по

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком